4 Лабараторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ, ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И

НАГРУЗОК РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией резьбовых соединений, научиться осуществлять контроль усилия затяжки резьбового соединения при помощи динамометрического ключа.

Оборудование и инструмент: Болтовое соединение, штангенциркуль, зажимное устройство (пресс),

динамометрический ключ КД-150 ТУ 105-6-911-86.

Общие сведения: Резьбовые соединения – наиболее распространённые разъёмные соединения. Основным элементом таких соединений является резьба, которая получается путём прорезания на поверхностей деталей канавок по винтовой линии. В зависимости от нагрузок и условий работы элементы резьбового соединения выбираются по геометрическим параметрам, которые характеризуются, прежде всего, профилем резьбы.

Профиль резьбы – это контур сечения витка в плоскости, проходящей через ось резьбы. По форме профиля резьбы подразделяются на: треугольные, упорные, трапециидальные, прямоугольные, круглые. К крепёжным резьбам относятся в основном треугольные резьбы (метрическая, дюймовая).

Профиль метрической резьбы представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Профиль метрической резьбы

Основными геометрическими параметрами резьбы являются: наружный, средний и внутренний диаметры, шаг, угол профиля, длина свинчивания.

Наружный диаметр резьбы d – диаметр цилиндра, описанного относительно вершин наружной резьбы и впадин внутренней резьбы.

Средний диаметр d₂ – диаметр воображаемого цилиндра, поверхность которого пересекает витки резьбы таким образом, что ширина витков и ширина впадин равны.

Внутренний диаметр цилиндра d₁ – диаметр цилиндра, описанного относительно вершин внутренней резьбы и впадин наружной резьбы.

Шаг резьбы S – расстояние между параллельными сторонами двух рядом лежащих витков, измеренное вдоль оси.

Если резьба однозаходная, то шаг резьбы равен осевому перемещению винта относительно неподвижной гайки при повороте винта на один оборот (ход резьбы). Для многозаходной резьбы ход резьбы составляет n∙S, где n – число заходов.

Угол профиля α – угол между боковыми сторонами профиля. В треугольных резьбах угол профиля составляет 55…60 ⁰ .

Высота треугольной резьбы Н – высота остроугольного профиля, полученного при продолжении боковых сторон профиля до их пересечения.

Угол подъёма резьбы (винтовой линии) Ψ определяется следующим образом:

(4.1)

Длина свинчивания l – длина (высота) соприкосновения поверхности болта и гайки, измеренная вдоль оси.

Среди резьбовых деталей наибольшее распространение получили крепёжные – болты, винты, шпильки и гайки.

Рисунок 4.2 - Резьбовые детали: а - болт с гайкой; б – винт; в – шпилька с гайкой.

Болтом или винтом (рисунок 4.2, а,б) называют стержень с головкой и одним резьбовым концом. Шпилька (рисунок 4.2, в) имеет два резьбовых конца.

Стандартные крепёжные резьбовые детали общего назначения изготавливают из углеродистых сталей Ст3, Ст4, 10, 20, 35 и др. Легированные стали 35Х, 30ХГСА применяют для весьма ответственных крепёжных деталей. Резьбовые изделия, подверженные действию воды и других окислительных сред для повышения коррозионной стойкости оксидируют, омедняют, оцинковывают и т. д. Также для резьбовых деталей применяют неметаллические детали (нейлон, полиамид и др.).

При сборке резьбового соединения гайку или винт завинчивают до определённого усилия (предварительная затяжка). При завинчивании к ключу прикладывают момент завинчивания (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Схема для определения момента завинчивания

, (4.2)

где Р_Р – усилие на конце ключа, Н;

L – расчётная длина ключа, м;

М_Р – момент сил в резьбе, Н·м;

М_ТР – момент сил трения на опорном конце гайки, Н·м.

М_Р определяется:

, (4.3)

где F_ЗАТ – усилие затяжки, Н;

φ – угол трения.

, (4.4)

где f_пр – приведённый коэффициент трения в резьбе

(4.5)

Для крепёжной метрической резьбы γ=α / 2 =30⁰ ; f_пр = 0,15 .

Момент трения на опорном торце гайки определяется следующим образом:

, (4.6)

где D_ср – средний диаметр торца гайки, м.

, (4.7)

где D₁ – наружный диаметр опорного торца гайки, м;

d_ОТВ – диаметр отверстия под болт, м.

В конечном счёте, момент завинчивания (момент на ключе) определяется:

(4.8)

Предельное усилие предварительной затяжки определяется по следующим соображениям.

Стержень болта при затяжке растягивается, при этом возникает на стыке деталей напряжённое состояние σ (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Схема напряжений при затяжке болтового соединения.

, Па (4.9)

Экспериментально установлено, что предельное напряжение при затяжке определяется как:

, (4.10)

где σ_Т– предел текучести материала болта.

Отсюда сила затяжки определяется:

(4.11)

Выигрыш в силе ( i ), полученный при затяжке болта ключом, определяется:

, (4.12)

где F_K – cила, приложенная к ключу.

(4.13)

Изучение конструкции динамометрического ключа и правил работы с ним

При установке резьбового соединения необходимо осуществлять контроль затяжки соединения, т. к. чрезмерная или недостаточная затяжка может привести к поломке резьбовых деталей и машины в целом.

В машиностроении наиболее распространены методы контроля, основанные на замере: а) удлинения болта (шпильки), б) угла поворота гайки, в) крутящего момента при затяжке гайки. Наиболее широкое распространение благодаря простоте, получил метод контроля затяжки, основанный на замере момента затяжки с помощью тарированных ключей: динамометрических и предельных.

Применение тарированных ключей основано на связи крутящего момента на ключе и усилия затяжки. Для измерения моментов завинчивания в ключе используются различные физические эффекты, для которых характерна определённая зависимость между усилием и деформацией оттарированного стержня – упругой деформации пружинных элементов, т.е. в основу измерений положен закон Гука, где соблюдается зависимость:

F_ЗАТ~Δl, (4.14)

где Δl – изменение размеров упругих элементов.

Деформация воспроизводится в виде растяжения (сжатия). Упругие элементы выполняют функцию преобразования. Динамометрический ключ (рисунок 4.5.) состоит из двух основных частей: чувствительного элемента, деформирующего под действием измеряемого момента и устройства, измеряющего деформацию чувствительного элемента.

1-разъём для болтового соединения; 2-трубчатая пружина; 3-поводок; 4-зубчатый сектор;

5-зубчатое колесо; 6-стрелка; 7-спиральная пружина; 8-шкала.

Рисунок 4.5 - Кинематическая схема динамометрического ключа

Чувствительный элемент – трубчатая пружина (2) закреплена одним концом к разъёму прибора (1), соединённого через головку непосредственно с гайкой и преобразует силовое воздействие на гайке в линейную деформацию, величина которой прямо пропорционально зависит от усилия затяжки. При деформации трубка разгибается и другой её конец через поводок (3) поворачивает зубчатый сектор (4), входящий в зацепление с зубчатым колесом (5). Зубчатое колесо жёстко крепится на оси стрелки(6), что позволяет измерительному элементу – стрелочному индикатору непосредственно воспринимать деформацию чувствительного элемента, благодаря чему происходит отклонение стрелки на определённый угол. Спиральная пружина (7) служит для плавности передачи деформации чувствительному элементу. В результате чего, по шкале (8) снимается численное значение измеряемой величины.

Данный ключ КД-150 можно использовать при статических нагрузках в пределах 0…150Н·м, шкалой деления 5Н·м.

Установка для замера момента завинчивания представлена на рисунке 4.6.

1-динамометрический ключ, 2-рычаг, 3-сменная головка, 4-резьбовое соединение, 5-зажимное устройство.

Рисунок 4.6 - Установка для замера момента завинчивания:

Порядок контроля затяжки следующий: Резьбовое соединение (4) фиксируется при помощи зажимного устройства (5). В разъём динамометрического ключа устанавливается сменная головка (3), которая соответствует определённому размеру гайки. Разъём ключа при помощи головки плотно сжимает торцевые поверхности гайки, что обеспечивает её надёжный контакт при затяжке соединений. При помощи рычага (2), установленным в паз динамометрического ключа, осуществляется вращение ключа до соответствующей затяжки соединения. По мере вращения осуществляется контроль момента завинчивания на шкале прибора.

Порядок проведения работы

1.Ознакомиться с конструкцией резьбового соединения и произвести замеры основных геометрических параметров (диаметры, шаг резьбы и т. д.).

2.Изобразить профиль крепёжной резьбы с указанием геометрических размеров.

3.По приведённой методике рассчитать момент завинчивания на ключе.

4.Изучить конструкцию и принцип работы динамометрического ключа и метод контроля затяжки.

5.При помощи динамометрического ключа произвести измерения момента завинчивания данного соединения.

6.Определить выигрыш в силе при затяжке болта ключом.

7.Заполнить таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Полученные результаты

Измеренные параметры							Вычисленные параметры
d,мм	d1, мм	d2, мм	S, мм	n	α, град	Mзав, Н*м	Ψ, град	φ, град	Fзат, Н	Мзав, Н*м	i

Контрольные вопросы

1.Перечислить основные геометрические параметры резьбовых соединений. Показать их на изображённом профиле резьбы.

2.Как определить угол подъёма винтовой линии, угол трения?

3.Как определить момент силы в резьбе?

4.Как определить момент силы на торце гайки?

5.Как определить выигрыш в силе на торце гайки?

6.Какие существуют методы затяжки болтового соединения?

7.На чём основано измерения момента завинчивания болтового соединения?

8.Пояснить устройство и принцип действия динамометрического ключа.

9.Как осуществить контроль момента затяжки на измерительной установке, используемой в данной работе?

5 ЛАБАРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЁТА

ШПОНОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель работы: Ознакомить студентов с конструктивными особенностями шпоночного соединения и основами расчёта таких соединений.

Оборудование и инструмент: Конструктивный узел «вал – шпонка - зубчатое колесо», мерительная линейка ГОСТ 17435-72, штангенциркуль.

Общие сведения: Шпоночные соединения состоят из вала, шпонки и ступицы колеса (зубчатое колесо, шкив, звёздочка, полумуфта и т. д.) (рисунок 5.1)

.

Рисунок 5.1 – Конструкция шпоночного соединения

Шпонка представляет собой стальной брус в виде призмы, сегмента или клина, вставляемый в пазы вала и ступицы колеса, соединяемого с валом. Шпонка служит для передачи вращающего момента между валом и ступицей колеса и является основным элементом соединения.

Достоинства и недостатки шпоночных соединений:

Достоинства:

1.Простота конструкции.

2.Низкая стоимость.

3.Простота монтажа и демонтажа.

Недостатки:

1.Ослабление вала и ступицы колеса шпоночным пазом.

2.Большая концентрация напряжений изгиба и кручения

3.Отсутствие фиксации колеса в осевом направлении.

4.Невозможность передачи больших нагрузок (крутящих моментов).

Шпоночные соединения применяются в машинах с малыми и средними нагрузками (приводы конвейеров, станков, смесителей, дробилок).

Основные элементы шпоночных соединений стандартизованы. В стандартах для различных конструкций шпонок приведены в зависимости от диаметра вала d размеры шпонок (b×h), пазов и т. д. Поэтому расчёт соединений сводится к проверке напряжений, которые возникают на рабочих поверхностях, или, при выбранных допускаемых напряжениях, к определению расчётной длины шпонки.

Методика расчёта шпоночных соединений: Основным расчётом шпоночных соединений является расчёт на смятие (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Расчётная схема шпоночного соединения

Условие прочности шпоночного соединения имеет вид:

, (5.1)

где Р –усилие, передаваемое шпонкой, Н;

F – площадь смятия, м²;

,- расчётное и допускаемое напряжения смятия, Па.

Усилие Р определяется как:

, (5.2)

где М – крутящий момент, Н·м;

d – диаметр вала, м.

Площадь смятия F_см находится следующим образом:

, (5.3)

где f – фаска шпонки, м; f ≈ 0,05 h;

h – высота шпонки, м;

t – глубина шпоночного паза на валу, м;

- рабочая длина шпонки, м.

С учётом формул (5.2) и (5.3) уравнение (5.1) запишется:

(5.4)

Кроме того, при расчёте шпоночного соединения, производится проверка условия прочности на срез, т.е.:

, (5.5)

где ,-расчётное и допускаемое напряжения среза, Па.

Площадь среза определяется:

, (5.6)

где b – ширина шпонки, м.

Учитывая зависимости (5.2) и (5.5), условие прочности на срез запишется:

, (5.7)

Допускаемые напряжения для шпоночных соединений

Шпонки изготовляются из углеродистых, реже легированных сталей. Допускаемые напряжения на смятие для этих материалов при постоянной нагрузке составляет:

= 150 ÷ 180 МПа; = 30 ÷ 80 МПа.

Порядок выполнения работы

1.Собрать и разобрать шпоночное соединение, изучив его конструкцию. Изучить принцип соединения деталей при помощи шпонки.

2.Измерить размеры шпонки и шпоночных пазов, указанных на рисунке 5.1.

3.Определить, используя зависимости (5.4) и (5.7) и полученные замеры, номинальный крутящий момент М, на который рассчитано данное соединение.

4.Заполнить таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Полученные результаты

Измеренные параметры					Вычисленные параметры
d,мм	b,мм	h,мм	t,мм	lp, мм	при смятии		при срезе
					М, Н∙м	Р, Н	М, Н∙м	Р, Н

Контрольные вопросы

1.Пояснить принцип сопряжения соединения деталей при помощи шпонки. Для каких деталей применяется шпоночное соединение?

2.Перечислить достоинства и недостатки шпоночных соединений

3.От чего зависит расчётное напряжение шпонки на смятие?

4.Записать условие прочности шпонки на срез.